Kapitalna oprema:

Digitalni spektrometarski sistem s CCD kamerom za istraživanja u

kvantnoj informatici-

program NT AMOPDr. sc. Mario Stipčević21.03.2007. Institut Ruđer Bošković

Kvantna informacija

Novija istraživanja u kvantnoj fizici ukazala su na to da kvantnisistemi sadrže mnogo više informacije nego klasični analogonizahvaljujući principu superpozicije stanja.

To je dovelo do fundamentalnog otkrića -> kvantne informacije

Primjene:• Nove zakonitosti i novi testovi kvantne teorije• Kvantna kriptografija (blisko ICT tehnologijama)• Teleportacija kvantnog stanja• Generatori nedeterminističkih slučajnih brojeva• Kvantna računala, kvantni obnavljači i kvantne memorije• Jednomolekularna analitička mikroskopija putem “quantum dots”, itd.

Klasična informacija može se kopirati u bezbroj identičnih kopija – kvantna informacija se ne može kopirati – no cloning teorem

Entanglement

Osnovni alat za proučavanje kvantne informacije.

Svojstvo dvočestične valne funkcije da mjerenjem nekogsvojstva jedne čestice utječemo na rezultat mjerenja togsvojstva druge čestice, nelokalno. Interesantni su maksimalnospregnuti sistemi (npr. EPR parovi).

U novije doba radi se najviše s fotonima. Njih je lako:- proizvesti- manipulirati- transportirati na veliku udaljenost- Detektirati (Q.E. Do 95%)- i, naravno, spregnuti (Engl. entangle).

Entanglement s fotonima

1995. P.G.Kwiat, H. Weinfurter et al. demonstriraju uređaj za obilatu proizvodnju polarizacijski spregnutih FOTONA naprincipu “parametarskog cijepanja” fotona u nelinearnomkristalu -> intenziviranje istraživanja kvantne informacije

Spektar nepogodan za fotomultiplikatore, koriste se poluvodički

detektori, Si, InGaAs

1982. Formuliran je “no cloning teorem” koji kaže da QMne dopušta kloniranje/multipliciranje nepoznatog kvantnogstanja nekog sistema (npr. fotona nepoznate transverzal-ne polarizacije).

Taj teorem povezuje kvantnu fiziku s jednom novom vrstom teorije informacija - kvantnom informatikom.

Istovemeno se počinju javljati ideje o mogućem odgovoruna Feynmanovo pitanje: ako je Turingovim računalimateško (sporo) računati neke kvantne sisteme, može likvantna mehanika omogućiti brža/drugačija računala ?

Kvantna informatika

Kvantna kriptografija

1985. H.C.Bennett (IBM) i G. Brassard (UniMontreal)objavili su jedan “štos” o tome kako kvantna mehanikamože poslužiti za ostvarenje kriptografski sigurnog

prijenosaporuka/podataka. Protokol je nazvan BB84.

1991. Ostvaren je prvi uređaj koji je utjelovio BB84

Kvantna kriptografija je prvi eksperiment zasnovan nakvantnoj informatici i ujedno prvi primjer kvantnekomunikacije. Također i prvi uređaj QI koji je komercijaliziran.

1992. Eckert modificira BB84 i uvodi (teorijski) uređaj zaentanglement (“kvantno sprezanje”)

Kvantna kriptografija

Svrha kvantne kriptografije je da Alice i Bob uspostave generiraju identični tajni ključ kojim mogu javni kanal pretvoriti u privatni. Protokol uključuje parove kvantno spregnutih fotona.

Kvantna teleportacijaOriginalna valna funkcija |Ψ> rekreira se na udaljenoj lokaciji uz pomoć jednog EPR para i dva bita klasične informacije, no originalna valna funkcija je uništena → zakon sačuvanja kvantne informacije.

Za ostvarenje nužan je kvantno spregnuti par (fotona).

Kvantna računala

Nakon razvoja teorije kodova i “fault tolerant computing”,počela se intenzivno razvijati grana kvantne fizike kojaizučava kvantna računala i moguće algoritme koje onamogu “brzo” riješiti. Za sada su to:

1. Sortiranje (Groverov algoritam)2. Rastav cijelih brojeva na proste (prim) faktore3. Računanje diskretnih logaritama4. ??

Osnovni alat za izučavanje kvantne informacije su dvo ivišečestično kvantno spregnuti sistemi

Fotonska CNOT vrata,

dovoljna za kvantno

računanje

Centralna komponenta je

uređaj za sprezanje para fotona

M. Pavičić, 2004

Zeilinger et al, 2004

Eksperimentalno sprezanje fotona

Spektar spregnutih fotona

Simulacija geometrije i spektra

Hlađena CCD kameraS USB2 priključkomANDOR DU4201024x512 pixela

QE

Spektar obične žarulje

Spektrograf ANDOR 303i•250-1100nm•triple grating turret•auto alignment•ovisno o rešetki rezolucija <50A

LinearStage

Spherical Mirror

Spectrograph

3

2

1

Sample

NOPA;490 nm,17 fs

Pulse Shaper

32

Time

1

Experimental Setup

Projekt: Femtosekundna laserska fizika atoma i molekula

0 100 200 300 400 500 600470

480

490

500

510

520

530

540

Time Delay(fs)

Wa

ve

len

gth

(n

m)

2D spektar

O projektuProjekt je interdisciplinaran:

Fizika, teorija informacija, elektronika, laserske metode,

kvantna optika, numeričke simulacije

Uključeni su:

• IRB Zavod za eksperimentalnu fiziku

• IRB Zavod za elektroniku

• Institut za fiziku

• Građevinski fakultet

• LMU Muenchen (DAAD projekt 2007-2008)

Zainteresirani za suradnju:

• Stomatološki fakultet, IRB LAIR, ...

Svrha i ciljevi projektaSvrha projekta su fundamentalna istraživanja u području

kvantne komunikacije i kvantne informatike:

1. Kvantna kriptografija – cilj je izgraditi uređaj i unaprijediti posto-jeće razumijevanje, domet i brzinu generiranja tajnog ključa

2. Unaprijeđenje protokola za kvantnu kriptografiju

3. Exp. i theor. istraživanje novih primitiva poput kvantnog potpisa, kvantnih memorija, kvantnih logičkih vrata

4. Novi načini za postizanje efikasnog entanglementa, multiparticle entanglement

5. Kvantni generatori slučajnih brojeva

6. Čvrstostanljski (silicijski) detektora fotona (SPAD) i razvoj novih sklopova za aktivni quenching

7. Tehnike mjerenja apsolutne kvantne efikasnosti (SPAD)

8. Single photon gun

9. Kvantna teleportacija

Ljudi na projektu

Projekt se oslanja na 4 iskusna istraživača:

1. Branka Medved, dr. sc. IRB, Zavod za elektroniku2. Hrvoje Skenderović, dr. sc., IFS3. Mladen Pavičić, dr. sc. prof., PMF, Gradjevinski faks4. Mario Stipčević, dr. sc, IRB, Zavod za eksperimentalnu fiziku

Vanjski suradnik: prof. H. Weinfurter, LMU Muenchen

Namjera:Tražimo jednog doktoranda odmah (novak, s faksa na posao,

Bolonja ...)

Metode

Tri su bitne sastavnice kvantne optike:

• Izvori svjetla CW laseri, pulsni laseri, laserske diode, LED diode

• Optičke komponente (nelinearni kristali, dvolomci, polarizatori, filteri, lambda pločice, leće, fiber optic tehnologija)

• Detektori pojedinačnih fotona (Si APD, PM cijevi)

Kompjuterizirani eksperimenti, kompjuterski upravljivamjerna tehnika, razvoj specifičnog elektroničkogsklopovlja vlastit ili u suradnji s malim tvrtkama

Postojeći prostor, oprema i suradnja

• Suradnja sa Zavodom za elektroniku. Na raspolaganju su nam 2 laboratorija (u ZEF i ZEL).

• Suradnja s grupom prof. G. Pichlera (IFS)

• Međunrodna suradnja u okviru odobrenog DAAD projekta 2007-2008 s grupom prof. H. Weinfurtera, LMU Muenchen

• Opremljeni elektronički lab na IRB: NIM elektronička mjerna tehnologija (programabilni) generatori impulsa, timeri, digitalni osciloskop, izvori visokog i niskog napona, strujni izvori, AVO mjerna oprema, elektroničke komponente

Potrebna kapitalna oprema

Hlađena CCD kamera (-80..-100 C) sa Spektrometrom

(600-1000nm, rezolucija ~1nm) i CW laserom snage

60-100mW @405-420nm, a u svrhu:

• teorijsko i eksperimentalno proučavanje i unapređenje metoda kvantnog sprezanja u nelinearnim kristalima

• za brzu vizualizaciju prostorne distribucije sprezanja

• za prostorni alignment snopova spregnutih fotona s optičkim vlaknima

Dosadašnja eksperimentalna istraživanja

• Kvantni generator slučajnih brojeva: ključan element za

kvantnu kriptografiju, kvantne memorije i kvantno računanje

• Radimo na konstrukciji originalnog sklopa za active quenching u poluvodičkim detektorima fotona

Moguća primjena istraživanja

Spektar primjena je vrlo širok, a primjene slijede vrlo izravno

iz samih eksperimenata:

• Kriptografija i informatička sigurnost (e-plaćanje, e-država, tajne službe, banke, korporacije....)

• APD tehnologija: spektrofotometrija, jednomolekularne analitičke metode, brzo sekvenciranje DNA, fundamentalna istraživanja u kvantnoj fizici, fizici čestica, astrofizici.

• Razvoj APD je vrlo intenzivan. Npr. HAMAMATSU još uvijek službeno ne proizvodi (ali istražuje !) SPAD diode => šansa za suradnju s tvrtkama koje razvijaju APD-ove (Švic)

• Kvantna računala kao buduća generacija superračunala